變頻器在海上氣田凝析油外輸系統的應用研究

任春林

（中海石油（中國）有限公司海南分公司，海南?？?570100）

0 引言

變頻器利用微電子技術，通過改變電機工作電源的頻率和電壓，從而控制電機的運轉。隨著工業技術的發展，人們對傳動設備的控制要求更加復雜和精準。傳統的直流調速技術由于體積大、故障率高而應用場景受限。變頻器由微處理器控制，采用先進的IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管）作為功率輸出器件，使得其具有極高的運行可靠性和全面、完善的保護功能，為變頻器和電機提供了良好的保護，因此在工業生產中應用非常廣泛。

電機作為生產的主要設備，設備運行能耗高，占生產總能耗比例大，而變頻器在降低電機能耗、提高生產效益方面具有明顯優勢。據統計，利用變頻調速可以節能30%以上，節能效果顯著。同時，使用變頻器進行調速控制可以減少對設備的沖擊，延長設備使用壽命，提高系統運行的穩定性。隨著電子元器件的不斷更新、高性能處理器的應用以及控制技術的不斷發展，變頻控制技術越來越成熟，在穩定性、安全性、智能控制等方面都有長足進步。海上平臺作為海上油氣生產一線，對設備的安全、節能、自動化程度以及可靠性等方面都有嚴格要求，如何保證海上采油設備的安全高效，是一線生產人員永恒的課題。

1 凝析油外輸系統

1.1 系統概述

凝析油外輸系統采用半自動控制模式，當液位達到70%時，系統發出液位高報警信號，需手動啟動凝析油泵進行排液。當液位降至38%時，系統自動向凝析油外輸泵發出停止運行信號。設備運行停止時間比為1∶6，全天啟停次數超40 次。

1.2 問題分析

（1）設備頻繁啟動不利于節能。電機的啟動電流為正常運行電流的5～7 倍，頻繁啟動將增加能量的損耗，不利于節能。

（2）設備頻繁啟動對電機、凝析油泵造成損害。凝析油泵為柱塞泵，頻繁啟動所產生的沖擊與振動會造成柱塞泵連接機構的機械性能疲勞，縮短連接機構的機械壽命。同時，還可能引起柱塞泵盤根密封的過快磨損和固定螺栓松動，進而造成柱塞泵機油漏油等故障。電機的啟動電流大，也會加快電機絕緣老化的速度，影響電機使用壽命。另外，設備頻繁啟動造成的沖擊對閥門和管線的使用壽命也有不利影響。

（3）設備頻繁啟動不利于生產監控。凝析油泵頻繁的運行，聚結分離器中凝析油腔的油液位變化很快，不利于中控室對凝析油液位的控制，同時極大增加了操作人員的工作量。

2 變頻控制技術應用研究

2.1 變頻控制技術適用性分析

變頻調速以其優異的調速、啟動和制動性能，廣泛應用于工業生產中。隨著工業自動化程度的不斷提高和節能理念的落實，變頻器在石油、化工等行業的生產中應用越來越廣泛，取得了顯著的經濟效益。變頻器具有調速范圍大、調速精度高、安全性能好、動態響應快等優點，在很多需要精確速度控制的工業生產過程中發揮著很大作用，可以提高產品質量、提高生產效率，同時減少人員工作量。并且其節能效果明顯，在節約用電、提高設備性能、保護環境等方面優勢明顯。

變頻器是一種將交流電整流成直流后再逆變成頻率、電壓可變的交流電的專用裝置。變頻器可以根據轉速或扭矩等反饋信號調節電機電源的頻率和電壓，實現閉環控制，從而在相當寬的頻率范圍內實現無極調速。閉環控制的特點是系統被控對象的輸出會反送回來影響控制器輸出，反饋信號可分為正反饋和負反饋兩種，由反饋信號的值來決定。在工業生產中應用最為廣泛的控制調節模式是PID（Proportional-Integral-Derivative，比例、積分、微分）控制，其具有工作原理簡單、適用范圍廣、控制參數相互獨立等特點，尤其當系統內被控制對象各項參數屬于變量時，最適合用PID 控制技術。

在閉環液位控制中，可以通過變頻器實現PID 閉環控制，其中反饋信號取自液位控制系統的輸出端。當輸出量與所設定的給定值發生偏離時，系統對反饋信號進行響應，調整變頻器的輸出。在控制器的輸入端，對給定信號與反饋信號進行比較，得出偏差值。對存在的偏差，經過比例（P）、積分（I）、微分（D）調節，控制變頻器改變輸出頻率和電壓，可以快速、準確、高效地消除系統存在的偏差，使輸出值與設定值快速接近，并將系統振蕩和誤差控制在很小范圍內。PID 控制適用于壓力控制、溫度控制、水位控制等，以MM440 系列變頻器為例，其PID 控制原理如圖1 所示。

圖1 MM440 變頻器PID 控制原理

變頻器根據凝析油油腔液位傳感器反饋的液位信號，改變凝析油泵電機的轉速，調節泵的出口流量。當油腔內凝析油液位高時，電機轉速加快，使泵的出口流量加大；當凝析油液位降低時，電機轉速減慢，泵的出口流量減小，使油腔內凝析油的液位維持在理想范圍。實踐證明，給凝析油外輸泵增加的變頻器控制液位功能，能較好地實現了設備的連續、穩定運行。

2.2 變頻控制的優勢

（1）節能。采用變壓、變頻的控制方式，大大減少了電機的啟動次數，從而有效實現節能，節能率達20%～60%。

（2）保護設備。變頻器可以實現電機的軟啟軟停，有效降低電機的啟動電流，減少電機啟動次數，延長電機使用壽命。同時也減輕了柱塞泵受到的啟動沖擊的次數，減少其機械損傷，對泵、管線起到保護作用。

（3）實現恒液位控制。實現液位與電機轉速的閉環控制，能夠將液位基本維持在設定值范圍內，有利于液位的精確控制。

（4）實現設備自動化運行，減少人員操作工作量，提高工作效率。

3 控制電路設計

系統改造后，通過增加變頻器PID 閉環控制模式實現系統恒液位運行。系統可以任意設定液位值，變頻器通過PID 調節自動調節輸出頻率，控制電機轉速，進而控制泵的出口流量。

變頻器將現場液位傳感器傳送來的4～20 mA 液位信號與設定值比較，通過PID 控制調整輸出的頻率、電壓，對電機進行轉速控制，從而實現恒定液位控制。主電路、控制原理、端子接線如圖2、圖3 所示。

圖2 主電路原理

圖3 控制電路原理

改造完成后，凝析油控制系統運行穩定，可以將液位控制在合理范圍內，解決了設備頻繁啟動的問題。同時響應了國家和公司積極提倡的節能增效政策，有利于提高設備使用年限，在降低設備運行故障率方面也取得了很好的效果。

4 結束語

變頻器作為交直流電的變換裝置，是重要的拖動控制設備，不僅能夠控制設備的正常運行，還在設備保護、節能、穩定性等方面發揮著重要作用。利用變頻控制技術對老舊油氣生產裝置進行升級改造，可以大大提高裝置自動化生產水平，提高設備運行效率和穩定性，保護傳動機械設備，優化人員作業內容，同時進一步降低設備能耗，提高節能水平。